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步进电机替代伺服电机,你信吗?

2018-05-21

在越来越多的高标准工业自动化应用领域,技术的进步正在改变步进电机和伺服电机之间的性能-成本比。

在采用了闭环技术后,闭环步进电机为用户提供出色的精度和效率,既能达到伺服电机的性能,又具有步进电机的低价优势。成本更低的步进电机正在逐渐渗透到原本被高成本伺服电机所支配的应用领域。


步进电机与伺服电机之对比


根据传统的观念,在需要速度超过800 RPM以及需要高动态响应的应用中,伺服控制系统性能更为出色。步进电机则更适合用于速度较低、低到中等加速度、需要较高保持转矩的应用。

那么这种关于步进电机和伺服电机的传统观念的依据是什么呢?下面让我们来详细分析下。


1

结 构

步进电机采用步进方式转动,利用磁线圈逐步拉动一个磁体,使其从一个位置到达下一个位置。要使电机在任何方向移动100个位置,电路都需要对电机进行100次步进操作。步进电机利用脉冲实现递增运动,可以在不使用任何反馈传感器的情况下实现精确定位

伺服电机的运动方法是不同的。它在磁转子上连接一个位置传感器–即编码器–会持续检测电机的准确位置。伺服会监控电机实际位置和指令位置之间的差异,并对电流进行相应的调整。这种闭环系统可以使电机保持在正确的运动状态。





2

简便性和成本

步进电机不仅比伺服电机成本低,而且调试和维护都更加简单。步进电机在静止状态是稳定的,并能保持位置(即使是采用动态负载)。不过,如果某些应用场合有更高的性能要求,则必须采用更昂贵、更复杂的伺服电机。

3

定 位

在需要随时了解机器准确位置的应用中,步进电机和伺服电机有重要差别。在通过步进电机控制的开环运动应用中,控制系统认为电机始终处于正确的运动状态。不过,在遇到问题以后,比如因为部件卡住而导致电机失速,控制器就无法了解机器的实际位置,从而导致失位。伺服电机本身的闭环系统具有一个优势:如果其被一个物体卡住,会立刻检测到。机器会停止操作,始终不会失位


4

速度和转矩

步进电机和伺服电机的性能差异源自他们不同的电机设计方案。步进电机的极数比伺服电机多得多,因此步进电机旋转一整圈,所需的绕组电流交换次数要多得多,从而导致在速度增加的情况下,其转矩迅速下降。另外,如果达到了最大转矩,步进电机可能会失去速度同步化功能。出于这些原因,在大部分高速应用中,伺服电机都是首选方案。与此相反,步进电机较多的极数在低速状态下具有优势,因为此时步进电机与同等尺寸的伺服电机相比具有转矩优势。

随着速度的增加,步进电机的转矩会下降


5

热和能耗

开环步进电机采用固定电流,并会散发大量热量。闭环控制只提供速度环路所需的电流,因此避免了电机发热问题。

比较总结

伺服控制系统最适合涉及到动态负载变化的高速应用,比如机械臂。步进控制系统则更适合需要低到中加速度和高保持转矩的应用,比如3D打印机、传送带、副轴等。因为步进电机成本更低,所以在使用之后,可以降低自动化系统的成本。运动控制系统如果需要利用伺服电机的特性,就必须证明这些成本较高的电机物有所值。

在闭环技术进步的推动下,步进电机能够渗透到以前完全属于伺服电机的高性能、高速度应用领域


采用闭环技术的步进电机


如果能闭环伺服技术优势适用于步进电机,那么效果会如何呢?

我们是否能在实现步进电机成本优势的同时,达到与伺服电机相仿的性能呢?

通过结合闭环控制技术,步进电机将会成为一个同时具备伺服和步进电机优点的低成本的综合性产品。因为闭环步进电机能够显著提高性能和能效,所以可以在越来越多的高标准应用中取代昂贵的伺服电机。

下面我们以嵌入了闭环控制功能stepIM综合步进电机为例,解析采用闭环技术的步进电机的性能与优劣。

采用闭环控制的stepIM产品

经过集成电子控制后的步进电机相当于一个双相无刷直流电机,可以执行位置环路控制、速度环路控制、DQ控制、以及其他算法。采用一个单圈绝对式编码器实现闭环换向,从而确保可以在任何速度下达到最佳转矩


低能耗以及保持冷却状态

StepIM步进电机具有高能效。与始终按照全电流指令操作的开环步进电机会导致发热和噪音问题不同,stepIM的电流会根据运动的实际情况改变,比如在加速和减速过程中。与伺服类似,在任何时刻,这些步进电机所消耗的电流都与所需的实际转矩成正比。因为电机和集成电子控制板运行温度更低,所以stepIM步进电机可以实现与伺服电机相仿的更高峰值转矩

即使在高速度下,StepIM步进电机所需的电流也更小


精确匹配性能要求

为了确保有足够的转矩来克服干扰和避免失步,开环步进电机通常要保证转矩至少比应用所需的数值高40%。闭环stepIM步进电机则不存在这个问题。在这些步进电机因为过载而达到失速状态时,它们会继续保持负载状态,不会失去转矩。在消除过载状态后,它们会继续运行。在任何指定速度下,都可以保证最大转矩,同时通过位置传感器来确保不会失步。因此,闭环步进电机的规格可以精确匹配相关应用的转矩要求,不需要额外增加40%的裕度。


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